压力容器的破坏形式及应急预案

2023-11-22 理论教育版权反馈

【摘要】：大多数压力容器的载荷变化次数应有效控制，使造成疲劳破坏可能性尽量减少。压力容器的腐蚀破坏一般可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类，从腐蚀的形式上则可分为均匀腐蚀、局部腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、冲蚀、缝隙腐蚀、氢腐蚀等多种形式。腐蚀把金属壳体的强度削弱到一定程度时，就会造成压力容器腐蚀破坏，以致发生爆炸和火灾事故。在锅炉压力容器的腐蚀中，应力腐蚀及其造成的破裂是最常见、危害

1.压力容器的破坏形式及产生原因

压力容器破坏通常有下面几种形式：延性破坏、脆性破坏、疲劳破坏、蠕变破坏和腐蚀破坏，如图3-20所示。

图3-20 压力容器破坏形式示意图

（1）压力容器的延性破坏又称为塑性破坏，是由于材料承受过高压力，以至超过了它的屈服强度和强度极限，因而使它产生较大的塑性变形，最后发生破裂的一种破坏的形式，一般事故大多属于这一类型。

1）由于圆筒形压力容器受力后的周向应力比轴向应力大一倍，并且压力容器端部受到封头的约束，所以压力容器的直径容易变大或周向发生较大的残余变形。破坏时，压力容器的断口多与轴向平行，呈撕断状态，断口不齐平，将破坏部分拼合时，沿断口线有间隙。压力容器破坏时不产生碎片或者仅有少量的碎块，爆破口的大小视压力容器爆破的膨胀能量而定，特别是液化气体容器，由于液体迅速汽化，体积膨胀，促使裂口进一步扩大。

2）压力容器延性破坏的主要产生原因如下：①盛装液化气体的气罐、气瓶，因充装过量，在温度升高的情况下，液体气化体积迅速膨胀，使压力容器的内压大幅度升高。②压力容器的安全装置（安全阀、压力表等）不全、不灵，再加上操作失误，使压力容器压力急剧增高。③压力容器内有两种以上能相互起化学反应的气体发生化学爆炸，如用盛装氢气的气瓶充装氧气等。④压力容器长期放置不用、维护不良，致使压力容器发生大面积腐蚀、厚度减薄、强度减弱。

3）压力容器发生延性破裂是由于超压而引起的，那么压力容器在试压和使用过程中就应该严禁超压，要严格按照有关规定进行压力试验与操作。同时也应保证仪器仪表的状况良好与灵敏，按规定安装合适的安全泄压装置，并保证其灵敏可靠，严格防止液化气容器超量装载，加强对压力容器的维护与检查，发现器壁腐蚀、减薄、变形应立即停止使用。

（2）压力容器的脆性破坏绝大多数脆性破坏发生在材料的屈服强度以下，破坏时没有或有很少的塑性变形，有的压力容器在脆裂后，将碎片拼接起来，测量其周长与原来相比没有明显的变化，破裂的断口齐平并与主应力方向垂直，断面呈晶粒状，在较厚的断面中，还常出现人字形纹路。当介质为气体或液化气体时，压力容器一般都裂成碎块或有碎块飞出，破坏大多数在温度较低的情况下或在进行水压试验时发生，脆性破坏往往在一瞬间发生断裂，并以极快的速度扩展。

脆性破坏是由材料的低温脆性和缺口效应引起的，为避免压力容器发生这类事故的主要措施有：选择在工作温度下仍具有足够韧性的材料来制造压力容器；在制造时，要采取严格的工艺措施，避免降低材料的断裂韧度，防止裂缝的产生；采用有效的无损检测方法，并及时发现和消除裂缝。

同时，也应该看到温度对材料影响也是很大的，低温时压力容器脆性断裂的可能性很大，所以压力容器在温度较低或温度多次发生突变时发生脆性断裂的事例也较多。

（3）压力容器的疲劳破坏是材料经过长期的交变载荷后，在比较低的应力状态下，没有明显的塑性变形而突然发生损坏，疲劳破坏一般是从应力集中的地方开始，即在容易产生峰值应力的开孔、接管、转角以及支撑部位处。当材料受到交变应力超过屈服强度时，能逐渐产生微小裂纹，裂纹两端在交变应力作用下不断扩展，最后导致压力容器的破坏，一般不产生象脆性破坏那样的脆断碎片。

防止产生疲劳破坏的措施：为防止压力容器产生疲劳破坏这类事故，除在运行中尽量避免不必要的频繁加压、卸压和悬殊的温度变化等不利因素外，更重要的还在于设计压力容器时应采取适当的措施，并应以材料的持久极限作为设计依据，合理选用这些压力容器的许用应力。大多数压力容器的载荷变化次数应有效控制（一般不超过1000次），使造成疲劳破坏可能性尽量减少。

（4）压力容器的蠕变破坏压力容器的蠕变破坏是材料在高于一定温度下受到外力作用，即使内部的应力小于屈服强度，也会随时间的增长而缓慢产生塑性的变形。产生蠕变的材料，其金相组织有明显的变化，如晶粒粗大、珠光体的球化等，有时还会出现蠕变的晶界裂纹，碳钢温度超过300～350℃、低合金钢温度超过300～400℃时就有可能发生蠕变，当压力容器发生蠕变破坏时，具有比较明显的塑性变形，变形量的大小视材料的塑性而定。

蠕变破坏的防止措施有：

1）设计时要根据压力容器的使用温度，来选用合适的材料。

2）制造中进行焊接及冷加工时，为不影响材料的抗蠕变性能，应采取措施防止材料产生晶间裂纹。

3）运行中必须防止压力容器局部过热。

压力容器蠕变破裂虽较少见，但对高温容器仍不可忽视，特别在选材和结构设计两个方面都需慎重考虑压力容器的蠕变破裂。在制造压力容器时，切不要降低材料抗蠕变性能来凑合迁就。在使用时也应注意避免超温及局部过热。

（5）压力容器的腐蚀破坏一般可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类，从腐蚀的形式上则可分为均匀腐蚀、局部腐蚀（非均匀腐蚀）、晶间腐蚀、应力腐蚀、冲蚀、缝隙腐蚀、氢腐蚀等多种形式。腐蚀把金属壳体的强度削弱到一定程度时，就会造成压力容器腐蚀破坏，以致发生爆炸和火灾事故。

各种腐蚀的原因和形态虽不相同，但都是受腐蚀介质、应力、材料的影响所致，故防止腐蚀破坏的措施有：针对不同介质选用最佳耐蚀材料；在设计、制造过程中设法降低应力水平和应力集中；采取能降低介质腐蚀性的各种措施，使压力容器能够安全运行，确保生产正常进行。

2.【案例3-10】压力容器的应力腐蚀破裂事故

（1）事故概况

某石化有限公司在用压力容器材质为奥氏体不锈钢，压力容器内为高温高压氯溶液，2007年9月由于应力腐蚀破裂造成高温高压介质外泄，使现场员工3人死亡，12人重伤（工业性中毒）。

（2）事故调查

1）断口判断：断口平齐，少部分呈塑料撕裂痕迹，破裂方向与主应力方向垂直，有明显看到裂纹源呈灰黑色，同时有明显裂纹扩展区，其断口呈人字纹，这是典型应力腐蚀开裂的结果。

2）断口的微观形态表现为晶间断裂形态，晶间上有撕裂脊，呈现干裂的泥塘花样，说明应力腐蚀时间已较长。

（3）事故分析

1）金属材料的腐蚀有多种，按腐蚀机理可分为化学腐蚀和电化学腐蚀；按腐蚀部位和破坏现象，可分为均匀腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳等。在锅炉压力容器的腐蚀中，应力腐蚀及其造成的破裂是最常见、危害最大的一种。(www.chuimin.cn)

2）金属构件在应力和特定的腐蚀性介质共同作用下，被腐蚀并导致脆性破裂的现象，叫应力腐蚀破裂。金属构件发生应力腐蚀一般要具备两个条件：一是金属与环境介质的特殊组合，即某一种金属只有在某一类介质中，并且还必须在某些特定的条件下，如温度、压力、湿度、浓度等，才有可能产生应力腐蚀；二是承受拉伸应力，包括构件在运行过程中产生的拉伸应力和制造加工过程中所留下的残余应力、焊接应力、冷加工变形应力等。

3）产生应力腐蚀的环境总是存在特定腐蚀介质，这种腐蚀介质一般都很弱，每种材料只对某些介质敏感，而这种介质对其它材料可能没有明显作用，如黄铜在氨气氛中，不锈钢在具有氯离子的腐蚀介质中容易发生应力腐蚀，但反过来不锈钢对氨气，黄铜对氯离子就不敏感。常用工业材料容易产生应力腐蚀的介质见表3-25，一般只有合金才产生应力腐蚀，纯金属不会产生这种现象。合金也只有在拉伸应力与特定腐蚀介质联合作用下才会产生应力。应力腐蚀是一个电化学腐蚀过程，包括应力腐蚀裂纹萌生、稳定扩展、失稳扩展等阶段，失稳扩展即造成应力腐蚀破裂。

表3-25 合金产生应力腐蚀的特定腐蚀介质表

（续）

4）氯离子对奥氏体不锈钢容器的应力腐蚀：无论是高浓度的氯离子，还是高温高压水中微量的氯离子，均可对奥氏体不锈钢造成应力腐蚀。应力腐蚀裂纹常产生在焊缝附近，最终造成容器破裂。

（4）结论意见该压力容器长期在拉伸应力、残余应力、焊接应用作用下存装高温高压氯溶液，最终导致发生应力腐蚀破裂事故。

（5）预防措施

1）选用合适的材料，尽量避开材料与敏感介质的匹配，比如不用奥氏体不锈钢材质制作接触海水及氯化物的压力容器。

2）在结构设计及布置中避免过大的局部应力产生。

3）采用涂层或衬里，把腐蚀性介质与容器承压壳体隔离，并防止涂层或衬里在使用中被损坏。

4）制造中采用成熟合理的焊接工艺及装配成形工艺，并进行必要合理的热处理，消除焊接残余应力及其他内应力。

3.压力容器常见缺陷

压力容器在运行过程中，由于使用条件、管理不善、违章作业等因素，产生很多缺陷，它将直接威胁到压力容器安全运行，常见缺陷有裂缝、材质劣化、变形、腐蚀等，具体如下：

（1）裂缝裂缝是在用压力容器常见缺陷之一，也是最危险的一种缺陷，也是造成压力容器发生脆性破坏的主要因素。压力容器使用过程中产生的裂缝有疲劳裂缝和腐蚀裂缝，特别是用低合金高强度钢制造的压力容器更容易产生表面裂缝。

（2）材质劣化在压力容器使用过程中，钢材的化学成分可能发生某些变化，如表面脱碳、增碳、氮化、氧化等。在内部组织结构方面，在一定的温度下，钢材的内部组织结构可能发生时效、珠光体球化、石墨化、过热下的组织粗化，从而影响压力容器的安全可靠运行。

（3）变形变形是容器整体或局部地方发生几何形状的改变，是压力容器使用过程中出现的主要缺陷之一。压力容器的变形一般有凹陷、鼓包，整体膨胀和整体扁瘪等几种形式。

（4）腐蚀腐蚀是物质由于与环境、与外界条件作用引起的破坏或变质，是压力容器在使用过程中普遍产生的一种缺陷。严重的腐蚀会使压力容器发生安全事故和爆炸现象，常见腐蚀形态有孔蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、磨损腐蚀、应力（腐蚀）破裂、均匀腐蚀等。

1）孔蚀。集中在金属表面个别点上深度较大的腐蚀称为孔蚀。孔蚀是破坏性和隐患最大的腐蚀形态之一。不锈钢制造的压力容器在含氯离子介质中使用时，非常容易遭受孔蚀破坏。

2）缝隙腐蚀。浸在腐蚀介质中心金属表面，在缝隙和其他隐蔽域常常发生强烈的局部腐蚀，这种腐蚀形态称为缝隙腐蚀。

3）晶间腐蚀。晶间腐蚀是由晶界的杂质而引起的，它会造成晶粒脱落，使材料的机械强度和伸长率显著下降，造成压力容器会突然损坏，用铬镍奥氏体不锈钢制成的压力容器最容易产生晶间腐蚀，要采取措施防止发生事故。

4）磨损腐蚀。由于腐蚀介质和金属表面之间的相对运动而使腐蚀过程加速的现象称为磨损腐蚀。

5）应力（腐蚀）破裂。应力（腐蚀）破裂是受拉应力的材料和特定的腐蚀介质的共同作用而产生的一种脆性破坏。往往一些高韧性的金属材料，如低碳钢、铬镍奥氏体不锈钢等容易产生这样的脆性破坏。

6）均匀腐蚀。在金属全部暴露的表面或在部分面积上产生基本均匀的化学或电化学反应，称为均匀腐蚀，均匀腐蚀是最常见的腐蚀形态。

7）腐蚀疲劳。金属受腐蚀介质和交变应力同时作用而产生的破裂，称为腐蚀疲劳。腐蚀疲劳断口和一般的疲劳断口的基本区别是疲劳裂纹扩展区有腐蚀产物。

8）氢损伤。由于氢渗入金属内部而造成金属性能的恶化称为氢损伤。氢损伤包括四种破坏形态：氢脆、氢鼓包、脱碳和氢腐蚀。氢损伤会使材料力学性能急剧降低，可能造成突发性事故。

压力容器的破坏形式及应急预案

相关推荐